1.1计算机网络概括

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1.1计算机网络概括

• 1.1.1计算机网络概念
  • 定义——计算机网络是一个将众多分散的、自治的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。
  • 组成——若干结点和连接这些结点的链路组成。
  • 结点——计算机，集成器，交换机或路由器等。
  • 互连网——通过路由器互联，构成一个覆盖范围更广的计算机网络
  • 理解——网络把许多计算机连在一起，而互连网则把许多网络通过路由器连在一起。
  • internet（互连网）——通用名词，泛指多个计算机网络互连而成，通信规则使用任意通信协议
  • Internet（互联网或者因特网）——专用名词，特定的计算机网络，通信规则采用TCP/IP协议族
• 1.1.2计算机网络的组成
  • 组成部分
    • 硬件——主机（端系统）、通信链路（双绞线、光纤）、交换设备（路由器、交换机）和通信处理机（网卡）等
    • 软件——实现资源共享的软件和方便用户使用的各种工具软件（E-mail程序、FTP程序、聊天程序）
    • 协议——计算机网络的核心，规定了网络传输数据时所遵循的规则
  • 工作方式
    • 边缘部分——由所有连接到互联网上的供用户直接使用的主机组成，用来进行通信（传输数据、音频或视频）和资源共享
    • 核心部分——由大量网络和连接这些网络的路由器组成，为边缘部分提供连通性和交换服务
  • 功能组成（逻辑功能）
    • 通信子网——由各种传输介质、通信设备和相应的网络协议组成——使网络具有数据传输、交换、控制和存储的能力，实现联网计算机之间的数据通信
    • 资源子网——实现资源共享功能的设备及其软件的集合——向用户提供共享其他计算机上的硬件资源、软件资源和数据资源的服务
• 1.1.3计算机网络的功能
  • 数据通信：计算机网络最基本和最重要的功能——实现联网计算机之间的各种信息的传输，并联系分散在不同地理位置的计算机，进行统一的调配、控制和管理
  • 资源共享：软件、数据、硬件共享——使计算机网络中的资源互通有无、分工协作，极大提高硬件、软件和数据资源的利用率
  • 分布式处理：计算机网络中的某个计算机系统负荷过重时，将其出处理的某个复杂任务分配给网络中其他计算机，从而利用空闲的计算机资源来提高整个系统的利用率
  • 提高可靠性：计算机网络中的各台计算机可以通过网络互为替代机
  • 负载均衡：将工作任务均衡的分配给计算机网络中的各台计算机
  • 其他
    • 电子化办公与服务、远程教育、娱乐
• 1.1.4电路交换、报文交换、分组交换
  • 电路交换
    • 概念
      • 典型：传统电话网；通信资源分配角度看：交换就是按照某种方式动态的分配传输线路的资源；三步：连接建立、数据传输和连接释放
    • 优点
      • 通信时延小
      • 有序传输
      • 没有冲突
      • 适用范围广
      • 实时性强
      • 控制简单
    • 缺点
      • 建立连接时间长
      • 线路利用率低
      • 灵活性差
      • 难以规格化
      • 难以实现差错控制
  • 报文交换
    • 概念
      • 交换数据的单位是报文，用户数据加上源地址、目的地址等信息后，后封装成报文，采用存储转发技术，整个报文先传送到相邻的结点，全部存储后查找转发表，转发到下一个结点，重复直到到达目的的结点。每个报文都可以单独选择到达目的结点的路径。
    • 优点
      • 无需建立连接
      • 动态分配线路
      • 线路可靠性高
      • 线路利用率高
      • 提供多目标服务
    • 缺点
      • 转发时延高
      • 缓存开销大
      • 错误处理低效
  • 分组交换
    • 概念
      • 采用存储转发技术，解决了报文过长的问题——源节点在发送前，先把较长的报文分成干较小的等长的数据段，在每个数据段前面添加一些由必要控制信息（源地址，目的地址的编号信息等）组成的首部，构成分组（packet）
    • 优点
      • 无建立时延
      • 线路利用率高
      • 简化了存储管理
      • 加速传输
      • 减小了出错概率和重发数据量
    • 缺点
      • 存在存储转发时延
      • 需要传输额外的信息量
      • 当分组交换网采用数据报服务时，可能出现失序、丢失或重复分组， 分组到达结点时，要对分组按编号进行排序，采用虚电路服务，没有失序问题，但有呼叫建立、数据传输、虚电路释放三个过程。
• 1.1.5计算机网络的分类
  • 按分布范围分类
    • 广域网（WAN）——提供长距离通信，范围几十到几千千米，互联网核心部分，高铁链路
    • 城域网（MAN）——5~50千米，以太网技术
    • 局域网（LAN）——主机通过高速线路相连，几十到几千米。传统上，局域网采用广播技术，广域网使用交换技术
    • 个人区域网（PAN）——个人工作的地方将消费电子设备（平板电脑、智能手机）用无线技术连接起来的网络，也称无线个人区域网（WPAN）
  • 按传输技术分类
    • 广播式网络——所有联网计算机共享一个通信信道，一台计算机利用利用共享通信信道发送报文分组时，其他计算机都会“收听”到这分组。接收到该分组的计算机将通过检查目的地址来决定是否接收该分组。局域网基本上都采用广播式通信技术，广域网中的无线、卫星通信网络也采用广播式通信技术
    • 点对点网络——每条物理线路连接一对计算机
  • 按拓扑结构分类
    • 总线形网络——单根传输线把计算机连接起来。优点：建网容易、增/减结点方便、节省线路；缺点：重负载时通信效率不高、总线任意一处对故障敏感。
    • 星形网络——每个终端（计算机）以单独的线路与中央处理器（交换机、路由器）相连。优点：便于集中控制和管理；缺点：成本高、中央设备对故障敏感
    • 环形网络——所有计算机接口设备连接成一个环。典例：令牌环局域网，单双环都可，单向传输信号。
    • 网状网络——每个结点至少有两条路径与其他结点相连，多用于广域网中，规则型和非规则型。优点：可靠性高；缺点：控制复杂、线路成本高。
  • 按使用者分类
    • 公用网（public network）
    • 专用网（private network）
  • 按传输介质分类
    • 有线——有线网络——双绞线网络和同轴电缆网络
    • 无线——无线网络——蓝牙、微波、无线电
• 1.1.6计算机网络的性能指标
  • 速率（speed）——连接到网络上的结点在数字信道上的传送数据的速率。也称数据传输速率、数据传输率、数据率或比特率，单位为b/s(比特/秒)或bit/s（有时也写成bps）
  • 宽带（bandwidth）——原本表示通信线路允许通过的信号频率范围，单位是赫兹（Hz），但在计算机网络中，表示通信线路所能传送数据的能力，“最高数据传输速率”的同义语，单位比特/秒（b/s）
  • 吞吐量（throughput）——单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量。常用在对实际网络的测量中，受网络带宽的限制
  • 时延（delay）——数据（一个报文或分组）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的总时间（发送时延、传播时延、处理时延、排队时延）发送时延=分组长度/发送速率；传播时延=信道长度/电磁波在信道上的传播速率
  • 时延带宽积——发送端发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已发送了多少比特，又称以比特为单位的链路长度。时延带宽积=传播时延X信道宽度
  • 往返时延（Round-Trip Time,RTT）——从发送端发送一个短分组，到收到来自接收端的确认总经历的时延。在互联网中，包括中间节点的处理时延、排队时延及转发数据时的发送时延。
  • 信道利用率——用以指出某个信道有百分之多少的时间是有数据通过的。信道使用率=有数据通过时间/(有+无)数据通过时间